近年来,碱金属蒸汽激光器因涵盖了蓝光和近、中红外等多波段的激光谱线输出而受到越来越多的关注,其中具备高功率输出潜力的半导体泵浦碱金属蒸汽激光器(Diode-pumped alkila vapor laser,DPAL)尤其得到研究人员的深入研究。DPAL在碱金属原子的D2线上进行泵浦抽运(n2S1/2→n2P3/2),在D1线上实现激光发射(n2P1/2→n2S1/2),输出波长位于近红外波段(Cs,894.6 nm;Rb,795.0 nm;K,770.0 nm),该机制下的DPAL具有极高的量子效率(Cs,95.2%;Rb,98.1%;K,99.5%)。DPAL具有热效应小、光束质量好和结构紧凑体积小等特点,属于半导体泵浦的气体激光器。基于这些优点,DPAL是一种极具发展潜力的高功率激光器,而国外也已于近期实现了千瓦级的连续铯激光输出,有望在激光加工、航空航天、医学医疗、国防军事等领域获得应用。鉴于此,本文从理论和实验两方面对铯DPAL开展了研究,主要包括以下内容:1、在DPAL的理论建模中,采用速率方程理论,在考虑碱金属原子D2线的碰撞展宽效应和实际LD输出的高斯谱线线型的情况下,引入有效泵浦光强建立了端面连续泵浦DPAL的理论模型,利用不动点迭代算法对该模型进行了快速求解,后期实验证明该模型在一定程度上是合理的;并在此基础上,进一步建立了脉冲泵浦DPAL的理论模型。2、在连续DPAL的理论分析中,首先以铯DPAL为例分析了激光器在小信号增益建立、增益饱和、稳定振荡这三个状态下的各能级粒子数密度随光强的演化特性、以及增益和吸收特性,结果表明在激光建立过程中,有效泵浦光强和增益系数逐渐由小信号值减小,而吸收系数则由小信号值逐渐增大,最后三者同时达到稳定。同时,深入分析了铯DPAL的阈值问题,包括运行温度、增益长度、受激辐射截面和精细结构弛豫速率的临界值情况,以及阈值泵浦光强,结果表明DPAL的最低运行温度、最短增益长度、最小受激辐射截面和最慢精细结构弛豫速率彼此相互制约。此外,模拟了铯DPAL的连续输出工作特性,并同时优化了运行温度、缓冲气体(氦气和乙烷)压强、输出镜反射率等关键参量。最后,对无烃铷DPAL和无烃钾DPAL的工作特性进行了对比分析,结果表明无烃钾DPAL的荧光辐射更少、增益更高、阈值泵浦功率更低。3、在脉冲DPAL的理论分析中:以铯DPAL为例模拟了其各能级粒子数密度随时间的演化过程,分析了铯DPAL的弛豫振荡现象,结果表明铯DPAL能形成脉宽极窄(ps级)、峰值功率较高的主尖峰,利用该特性可以对铯DPAL进行增益调制来获得峰值功率较高、时间分辨率较好的激光脉冲,即增益开关型脉冲铯DPAL;计算了增益开关型脉冲铯DPAL的峰值功率、脉宽等参量,结果表明优化输出镜反射率和运行温度、同时尽量缩短腔长,可以进一步压缩脉宽并提高峰值功率。4、设计并搭建了实验平台,开展了对连续泵浦和脉冲准连续泵浦铯DPAL的实验研究。在连续泵浦模式下,对铯DPAL的输出镜反射率和准直透镜焦距进行了优化,分析了运行温度等参量对激光器输出性能的影响,最终获得了波长894.57 nm、线宽0.032nm的基横模铯激光输出,最大连续输出功率为1.74 W、最大斜效率为29.15%、最大光光效率为24%;在脉冲准连续泵浦模式下,对铯DPAL的峰值功率和斜效率进行了研究,分析了热效应,并测量了激光波形和脉宽,最终获得了最大峰值功率为3 W、最大斜效率为24.2%、最大光光效率为20.53%的铯激光输出。